JP2022075529A - Magnets in electrical machines - Google Patents

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Abstract

To provide: electrical machines, and more specifically, electrical machines including permanent magnets; wind turbines comprising such electrical machines, and in particular, wind turbines comprising permanent magnet generators with cooling arrangements.SOLUTION: The present disclosure relates to rotors for an electrical machine comprising a first type of permanent magnets and a second type of permanent magnets, where the first and second types of permanent magnets have the same magnetic strength, and where the first type of permanent magnets has a first temperature rating, and the second type of permanent magnets has a second temperature rating different from the first temperature rating. The present disclosure relates to generators, and in particular to wind turbines comprising such generators, and to methods for selecting or providing magnets for permanent magnet rotors.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、電気機械に関し、より詳細には、永久磁石を含む電気機械に関する。本開示はまた、そのような電気機械を備える風力タービンに関し、特に、冷却配置構成を有する永久磁石発電機を備える風力タービンに関する。 The present disclosure relates to electrical machinery, and more particularly to electrical machinery including permanent magnets. The present disclosure also relates to wind turbines with such electrical machinery, and in particular to wind turbines with permanent magnet generators having a cooling arrangement configuration.

モータ及び発電機などの電気機械は、一般に、ロータ構造及びステータ構造を備える。大型発電機は、例えば、永久磁石励起発電機(PMG)であってもよい。 Electrical machines such as motors and generators generally include a rotor structure and a stator structure. The large generator may be, for example, a permanent magnet excitation generator (PMG).

そのような発電機は、例えば風力タービンで使用することができる。風力タービンは、一般に、ロータハブ及び複数のブレードを有するロータを備える。ロータは、ブレードへの風の影響下で回転するように設定される。ロータシャフトの回転は、発電機ロータを直接駆動する(「直接駆動型」)か、又はギアボックスを使用して駆動する。そのような直接駆動型風力タービン発電機は、例えば6~10メートル(236~328インチ)の直径、例えば2~3メートル(79~118インチ)の長さを有することができ、例えば2~20rpm(回転毎分)の範囲の低速で回転することができる。あるいは、永久磁石発電機はまた、発電機の回転速度を例えば50~500rpm又はそれ以上に増加させるギアボックスに結合されてもよい。 Such generators can be used, for example, in wind turbines. Wind turbines typically include a rotor hub and a rotor with multiple blades. The rotor is set to rotate under the influence of wind on the blades. Rotation of the rotor shaft drives the generator rotor directly (“direct drive”) or using a gearbox. Such directly driven wind turbine generators can have a diameter of, for example, 6-10 meters (236-328 inches), such as a length of 2-3 meters (79-118 inches), eg, 2-20 rpm. It can rotate at low speeds in the range of (rotation per minute). Alternatively, the permanent magnet generator may also be coupled to a gearbox that increases the rotational speed of the generator to, for example, 50-500 rpm or higher.

電気機械は、ステータに対して回転するロータを備える。ロータは内側構造であってもよく、ステータは外側構造であってもよい。したがって、この場合のステータはロータを取り囲む。あるいは、構成はこれとは反対、すなわちロータがステータを取り囲んでもよい。 The electromechanical machine comprises a rotor that rotates with respect to the stator. The rotor may have an inner structure and the stator may have an outer structure. Therefore, the stator in this case surrounds the rotor. Alternatively, the configuration may be the opposite: a rotor may surround the stator.

永久磁石励起発電機(PMG)の場合、永久磁石(PM)は一般にロータに備えられる(ただし、ステータ構造に交互に配置することもできる)が、巻線要素(例えばコイル)は通常ステータに含まれる(ただし、ロータ構造に交互に配置することもできる)。永久磁石発電機は、一般に、信頼性があると考えられ、他の発電機の類型よりも必要とするメンテナンスが少ない。これは、永久磁石発電機が沖合風力タービン、特に直接駆動型海上風力タービンに採用される重要な理由である。 In the case of permanent magnet excitation generators (PMGs), permanent magnets (PMs) are generally provided in the rotor (although they can be arranged alternately in the stator structure), but winding elements (eg coils) are usually included in the stator. (However, it can be arranged alternately in the rotor structure). Permanent magnet generators are generally considered reliable and require less maintenance than other generator types. This is an important reason why permanent magnet generators are used in offshore wind turbines, especially directly driven offshore wind turbines.

複数の永久磁石が永久磁石モジュールに設けられてもよく、これらは単一の部品としてロータに取り付けられてもよい。永久磁石モジュールは、複数の永久磁石を有するユニットとして定義されてもよく、複数の磁石は共に装着され、かつ共に取り外すことができる。そのようなモジュールは、基部に固定され得る複数の永久磁石を収容又は担持するのに適した形状を有するモジュール基部を有することができる。基部は、複数の磁石がモジュール基部を通してロータリムに共に固定されるように、ロータリムに固定されるように構成されてもよい。永久磁石モジュールの使用は、ロータの製造を容易にすることができる。 A plurality of permanent magnets may be provided in the permanent magnet module, and these may be attached to the rotor as a single component. A permanent magnet module may be defined as a unit having a plurality of permanent magnets, and the plurality of magnets can be mounted and removed together. Such a module may have a module base having a shape suitable for accommodating or supporting a plurality of permanent magnets that may be secured to the base. The base may be configured to be secured to the rotor rim such that the plurality of magnets are anchored together to the rotor rim through the module base. The use of permanent magnet modules can facilitate the manufacture of rotors.

能動要素(磁石又はコイル)は使用時に発熱するため、電気機械では冷却が一般に重要である。温度が高すぎると、これらの要素の故障及び動作効率の低下につながる可能性がある。 Cooling is generally important in electrical machinery because active elements (magnets or coils) generate heat during use. If the temperature is too high, it can lead to failure of these elements and reduced operating efficiency.

電気機械の異なる構成、例えば半径方向機械及び軸方向機械が知られている。軸方向機械では、ロータ及びステータは、互いに軸方向に対向する。エアギャップが、ロータとステータとの間に軸方向に配置される。半径方向機械では、実質的に環状のエアギャップがロータとステータとの間に形成されてもよい。ロータ及びステータの一方は、他方を半径方向に取り囲むように配置される。ロータの運動により、エアギャップ内の空気が周囲を移動する。これにより、空気は、特に高速回転の場合に冷却効果を提供することができる。 Different configurations of electromechanical machines, such as radial and axial machines, are known. In an axial machine, the rotor and stator face each other axially. An air gap is arranged axially between the rotor and the stator. In radial machines, a substantially annular air gap may be formed between the rotor and the stator. One of the rotor and the stator is arranged so as to surround the other in the radial direction. The movement of the rotor causes the air in the air gap to move around. This allows the air to provide a cooling effect, especially in the case of high speed rotation.

内側ステータ構造を介して低温空気流を提供する、能動空気冷却システム又は空調システムを提供することが知られている。冷却空気流は、次にステータの円周に沿って分配される。次に空気流が一方の側から他方の側へとエアギャップを軸方向に横切ることにより、ロータ及びステータの能動要素を冷却する。次いで、高温空気が反対側の軸方向側で収集される。高温空気は、次に熱交換器内で排気又は冷却され、再び使用することができる。冷却空気が半径方向のエアギャップを軸方向に横切るこのタイプの冷却は、一般に軸方向冷却と表される。 It is known to provide an active air cooling system or air conditioning system that provides a low temperature air flow through an inner stator structure. The cooling air flow is then distributed along the circumference of the stator. The airflow then axially traverses the air gap from one side to the other to cool the active elements of the rotor and stator. The hot air is then collected on the opposite axial side. The hot air is then exhausted or cooled in the heat exchanger and can be used again. This type of cooling, in which the cooling air crosses the radial air gap axially, is commonly referred to as axial cooling.

通常はロータの軸方向長さに沿った様々な点で、冷却空気が半径方向のエアギャップ内に半径方向に吹き付けられる半径方向冷却も知られている。軸方向に短い電気機械には軸方向の冷却が一般に好ましく、軸方向に長い電気機械には半径方向の冷却がしばしば好ましい。 Radial cooling is also known, in which cooling air is blown radially into the radial air gap at various points, usually along the axial length of the rotor. Axial cooling is generally preferred for axially short electrical machines, and radial cooling is often preferred for axially long electrical machines.

冷却空気が一方の側から他方の側へと軸方向にエアギャップを横切ると、空気はエアギャップを通過するときに加熱される。したがって、冷却空気は、一方の側が反対側よりも低温であり、よって一方の側が他方の側よりも効果的に冷却される。その結果、能動要素の冷却は均一ではなく、すなわち、ロータの一方の側の磁石は、他方の側の磁石よりも高い温度になる場合がある。 As the cooling air crosses the air gap axially from one side to the other, the air is heated as it passes through the air gap. Therefore, the cooling air is cooler on one side than on the other side, thus cooling one side more effectively than the other. As a result, the cooling of the active element may not be uniform, i.e. the magnet on one side of the rotor may be at a higher temperature than the magnet on the other side.

磁石間の不均一な温度分布は、電気機械の動作に影響を及ぼす恐れがある。消磁は、永久磁石がそれらの磁気特性を失うプロセスである。消磁は、強い磁場、例えばステータ電流、特に電気機械の故障電流によって引き起こされる磁場の存在下で発生する。したがって、永久磁石の消磁は、使用中及び電気機械の寿命にわたって発生する可能性があり、消磁は、高温でより迅速かつより大きな程度で発生する。 Non-uniform temperature distribution between magnets can affect the operation of electromechanical machines. Degaussing is the process by which permanent magnets lose their magnetic properties. Demagnetization occurs in the presence of a strong magnetic field, eg, a magnetic field caused by a stator current, especially a fault current in an electromechanical machine. Therefore, degaussing of permanent magnets can occur during use and over the life of the electrical machine, and degaussing occurs more quickly and to a greater extent at high temperatures.

前述のように温度分布が軸方向に不均一である場合、ロータの一方の側に配置された磁石は、ロータの他方の側に配置された磁石よりも多くの消磁を受ける可能性があり、より迅速に消磁を受ける可能性がある。 If the temperature distribution is non-uniform in the axial direction as described above, magnets located on one side of the rotor can undergo more degaussing than magnets located on the other side of the rotor. May be degaussed more quickly.

本明細書に記載されている電気機械の寸法及びタイプ並びに潜在的な問題は、直接駆動用途の発電機に限定されず、風力タービンの分野だけにも限定されない。同じ問題を被る可能性があり、かつ/又は同じ複雑さを有する可能性があるかなりの寸法の電気機械もまた、例えば蒸気タービン及び水力タービンに見られる場合がある。 The dimensions and types of electrical machinery and potential issues described herein are not limited to generators for direct drive applications, nor are they limited to the field of wind turbines. Electrical machinery of considerable size that can suffer the same problems and / or have the same complexity may also be found, for example, in steam turbines and hydraulic turbines.

本開示は、前述の欠点のいくつかを少なくとも部分的に解決するシステム及び方法の例を提供する。 The present disclosure provides examples of systems and methods that at least partially solve some of the aforementioned shortcomings.

第1の態様では、電気機械用のロータは、第1のタイプの永久磁石と、第2のタイプの永久磁石とを備える。第1及び第2のタイプの永久磁石は同じ磁気強度を有し、第1のタイプの永久磁石は第1の温度定格を有し、第2のタイプの永久磁石は第1の温度定格とは異なる第2の温度定格を有する。 In the first aspect, the rotor for an electromechanical machine comprises a first type of permanent magnet and a second type of permanent magnet. The first and second types of permanent magnets have the same magnetic strength, the first type of permanent magnets have the first temperature rating, and the second type of permanent magnets have the first temperature rating. It has a different second temperature rating.

この態様によれば、ロータに沿った不均一な温度分布の原因となり得る永久磁石ロータが提供される。永久磁石の消磁は、例えば故障電流が発生したときに発生する可能性がある。消磁を回避するために、通常、磁石が最高温度にあっても消磁を回避するのに十分高い「グレード」(強度と温度定格の組み合わせ)の永久磁石が選択される。しかしながら、高グレードの磁石は、低グレードの磁石よりも高価である。既知の解決策は、永久磁石ロータの冷却を増加させ、それによって磁石のグレードを低下させることである。しかしながら、前述の態様によれば、異なるグレードの磁石を異なる温度の異なる領域に使用することができ、それによって費用効果の高い解決策を提供する。 According to this aspect, a permanent magnet rotor that can cause a non-uniform temperature distribution along the rotor is provided. Degaussing of permanent magnets can occur, for example, when a fault current occurs. To avoid degaussing, a permanent magnet of "grade" (a combination of strength and temperature rating) that is high enough to avoid degaussing even when the magnet is at maximum temperature is usually selected. However, high grade magnets are more expensive than low grade magnets. A known solution is to increase the cooling of the permanent magnet rotor, thereby degrading the magnet. However, according to the aforementioned embodiments, different grades of magnets can be used in different regions of different temperatures, thereby providing a cost effective solution.

本開示を通して、異なる温度定格は、異なる固有保磁力を意味する。保磁力又は磁気保磁力は、強磁性材料が消磁することなく外部磁場に耐える能力の尺度である。保磁力は、通常、エルステッド又はアンペア/メートル単位で測定され、Hと表される。より大きい値は、磁化のみを考慮して、磁場Bに対する負の真空誘電率の寄与を考慮しない固有保磁力HCiである。 Throughout the present disclosure, different temperature ratings mean different intrinsic coercive forces. Coercive or magnetic coercive force is a measure of the ability of a ferromagnetic material to withstand an external magnetic field without degaussing. Coercive force is usually measured in oersted or ampere / meter units and is expressed as HC . The larger value is the intrinsic coercive force HCi , which considers only the magnetization and does not consider the contribution of the negative vacuum permittivity to the magnetic field B.

本開示を通して、永久磁石の強度は、その磁気残留性と見なすことができる。残留性又は残留磁化又は残留磁気は、外部磁場が除去されたときに強磁性材料に残る磁化である。本開示全体を通して使用されるのと同じ磁気残留性又は同じ磁気強度とは、ある磁石と別の磁石との間の磁気残留性の差が10%未満、具体的には5%未満であることを意味するものとする。 Throughout the present disclosure, the strength of a permanent magnet can be considered as its magnetic persistence. Persistent or residual magnetization or residual magnetism is the magnetization that remains in the ferromagnetic material when the external magnetic field is removed. The same magnetic persistence or the same magnetic strength as used throughout this disclosure means that the difference in magnetic persistence between one magnet and another is less than 10%, specifically less than 5%. It shall mean.

さらなる態様では、電気機械の永久磁石ロータの永久磁石の磁気残留性を決定するステップと、動作中の永久磁石ロータの温度分布を決定するステップとを含む方法が提供される。次いで、方法は、より高い平均温度を有する永久磁石ロータの第1の区域を決定するステップと、より低い平均温度を有する永久磁石ロータの第2の区域を決定するステップとを含む。次に、第1の区域用の第1のタイプの磁石及び第2の区域用の第2のタイプの磁石が選択され、第2のタイプは第1のタイプとは異なる。 In a further aspect, a method is provided that comprises a step of determining the magnetic persistence of the permanent magnet of the permanent magnet rotor of an electromechanical machine and a step of determining the temperature distribution of the permanent magnet rotor in operation. The method then comprises determining a first area of the permanent magnet rotor with a higher average temperature and a second area of the permanent magnet rotor having a lower average temperature. Next, a first type magnet for the first area and a second type magnet for the second area are selected, the second type being different from the first type.

本開示の非限定的な例を、添付の図面を参照して以下に説明する。 Non-limiting examples of the present disclosure are described below with reference to the accompanying drawings.

一例による風力タービンの斜視図である。It is a perspective view of the wind turbine by an example. 一例による風力タービンのナセルの詳細な内部図である。It is a detailed internal view of a nacelle of a wind turbine by an example. 電気機械の一例の断面図を概略的に表す図である。It is a figure which shows schematic sectional drawing of an example of an electric machine. 消磁曲線を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the degaussing curve. 消磁曲線を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the degaussing curve. 永久磁石モジュールの2つの例を概略的に示す図である。It is a figure which shows two examples of a permanent magnet module schematically. 永久磁石モジュールの2つの例を概略的に示す図である。It is a figure which shows two examples of a permanent magnet module schematically. 電気機械のロータに適した永久磁石を選択するための方法の一例を概略的に示す図である。It is a figure schematically showing an example of the method for selecting a permanent magnet suitable for a rotor of an electric machine.

これらの図では、一致する要素を示すために同じ参照符号が使用されている。 In these figures, the same reference numerals are used to indicate matching elements.

図1は、風力タービン160の一例の斜視図を示している。図示するように、風力タービン160は、支持面150から延びるタワー170と、タワー170に装着されたナセル161と、ナセル161に結合されたロータ115とを含む。ロータ115は、回転可能なハブ110と、ハブ110に結合され、ハブ110から外側に延びる少なくとも1つのロータブレード120とを含む。例えば、図示の実施形態では、ロータ115は、3つのロータブレード120を含む。しかし、代替的な実施形態では、ロータ115は、3つよりも多い又は少ない数のロータブレード120を含んでもよい。各ロータブレード120は、ロータ115の回転を容易にし、風からの運動エネルギーが使用可能な機械的エネルギー、続いて電気エネルギーに変換され得るように、ハブ110の周りに間隔を置いて配置することができる。例えば、ハブ110は、ナセル161内に位置決めされた発電機162(図2)に回転可能に結合され、電気エネルギーの発生を可能することができる。 FIG. 1 shows a perspective view of an example of a wind turbine 160. As shown, the wind turbine 160 includes a tower 170 extending from a support surface 150, a nacelle 161 mounted on the tower 170, and a rotor 115 coupled to the nacelle 161. The rotor 115 includes a rotatable hub 110 and at least one rotor blade 120 coupled to the hub 110 and extending outward from the hub 110. For example, in the illustrated embodiment, the rotor 115 includes three rotor blades 120. However, in an alternative embodiment, the rotor 115 may include more or less than three rotor blades 120. Each rotor blade 120 is spaced around the hub 110 so that the rotation of the rotor 115 is facilitated and the kinetic energy from the wind can be converted into available mechanical energy followed by electrical energy. Can be done. For example, the hub 110 can be rotatably coupled to a generator 162 (FIG. 2) positioned within the nacelle 161 to allow the generation of electrical energy.

図2は、図1の風力タービン160のナセル161の一例の簡略化された内部図を示している。図示するように、発電機162は、ナセル161内に配設されてもよい。一般に、発電機162は、ロータ115によって生成された回転エネルギーから電力を生成するために、風力タービン160のロータ115に結合されてもよい。例えば、ロータ115は、ハブ110と共に回転するためにハブ110に結合された主ロータシャフト163を含むことができる。次いで、発電機162は、ロータシャフト163の回転が発電機162を駆動するように、ロータシャフト163に結合されてもよい。例えば、図示の実施形態では、発電機162は、ギアボックス164を介してロータシャフト163に回転可能に結合された発電機シャフト166を含む。 FIG. 2 shows a simplified internal view of an example of the nacelle 161 of the wind turbine 160 of FIG. As shown, the generator 162 may be disposed within the nacelle 161. In general, the generator 162 may be coupled to the rotor 115 of the wind turbine 160 in order to generate electric power from the rotational energy generated by the rotor 115. For example, the rotor 115 can include a main rotor shaft 163 coupled to the hub 110 to rotate with the hub 110. The generator 162 may then be coupled to the rotor shaft 163 so that the rotation of the rotor shaft 163 drives the generator 162. For example, in the illustrated embodiment, the generator 162 includes a generator shaft 166 rotatably coupled to a rotor shaft 163 via a gearbox 164.

ロータシャフト163、ギアボックス164、及び発電機162は、一般に、風力タービンタワー170の頂部に位置決めされた支持フレーム又はベッドプレート165によってナセル161内に支持され得ることを理解されたい。 It should be appreciated that the rotor shaft 163, gearbox 164, and generator 162 may generally be supported within the nacelle 161 by a support frame or bed plate 165 positioned at the top of the wind turbine tower 170.

ナセル161は、ナセル161がヨー軸YAの周りを回転することができるように、ヨーシステム20によってタワー170に回転可能に結合される。ヨーシステム20は、他方に対して回転するように構成された2つの軸受構成要素を有するヨー軸受を備える。タワー170は軸受構成要素の一方に結合され、ナセル161のベッドプレート又は支持フレーム165は他方の軸受構成要素に結合される。ヨーシステム20は、環状ギア21と、モータ23を有する複数のヨー駆動装置22と、ギアボックス24と、軸受構成要素の一方を他方に対して回転させるように環状ギア21と噛み合うためのピニオン25とを備える。 The nacelle 161 is rotatably coupled to the tower 170 by the yaw system 20 so that the nacelle 161 can rotate around the yaw axis YA. The yaw system 20 comprises yaw bearings having two bearing components configured to rotate relative to the other. The tower 170 is coupled to one of the bearing components and the bed plate or support frame 165 of the nacelle 161 is coupled to the other bearing component. The yaw system 20 includes an annular gear 21, a plurality of yaw drive devices 22 having a motor 23, a gearbox 24, and a pinion 25 for engaging the annular gear 21 so as to rotate one of the bearing components with respect to the other. And.

ブレード120は、ブレード120とハブ110との間にピッチ軸受100を介してハブ110に結合される。ピッチ軸受100は、内側リングと、外側リングとを備える。風力タービンブレードは、内側軸受リング又は外側軸受リングのいずれかに取り付けることができ、ハブは他方に接続される。ブレード120は、ピッチシステム107が作動されると、ハブ110に対して相対回転運動を行うことができる。したがって、内側軸受リングは、外側軸受リングに対して回転運動を行うことができる。図2のピッチシステム107は、風力タービンブレードをピッチ軸PAの周りで回転させるために内側軸受リングに設けられた環状ギア109と噛み合うピニオン108を備える。 The blade 120 is coupled to the hub 110 via a pitch bearing 100 between the blade 120 and the hub 110. The pitch bearing 100 includes an inner ring and an outer ring. The wind turbine blade can be attached to either the inner or outer bearing ring and the hub is connected to the other. The blade 120 can rotate relative to the hub 110 when the pitch system 107 is activated. Therefore, the inner bearing ring can rotate with respect to the outer bearing ring. The pitch system 107 of FIG. 2 includes a pinion 108 that meshes with an annular gear 109 provided on the inner bearing ring to rotate the wind turbine blades around the pitch axis PA.

発電機によって発生したエネルギーは、発電機の出力電力を電力網の要件に適合させるコンバータに送達することができる。電気機械は、電気相、例えば3つの電気相を備えることができる。コンバータは、ナセルの内側、タワーの内側、又は外部に配置されてもよい。 The energy generated by the generator can be delivered to a converter that adapts the output power of the generator to the requirements of the power grid. The electromechanical machine can include an electrical phase, eg, three electrical phases. The converter may be located inside the nacelle, inside the tower, or outside.

図3は、電気機械を概略的に示している。電気機械は、発電機、具体的には直接駆動型風力タービン発電機であってもよい。 FIG. 3 schematically shows an electric machine. The electric machine may be a generator, specifically a directly driven wind turbine generator.

図3の発電機10は、第1の側101から第2の側102に延び、回転軸33を中心に回転するように構成されたロータ20と、ステータ30と、ロータ20とステータ30との間のエアギャップ40とを備える。 The generator 10 of FIG. 3 has a rotor 20, a stator 30, and a rotor 20 and a stator 30 that extend from the first side 101 to the second side 102 and are configured to rotate about a rotation shaft 33. It is provided with an air gap 40 between them.

この図のステータ30は、複数の電気コイル90と、複数の電気コイル90を支持する円周方向支持体60を備えるステータ構造50とを備える。ステータ構造50は、発電機の回転軸33に沿って第1の側31から第2の側32に延びる。 The stator 30 in this figure includes a plurality of electric coils 90 and a stator structure 50 having a circumferential support 60 that supports the plurality of electric coils 90. The stator structure 50 extends from the first side 31 to the second side 32 along the rotation shaft 33 of the generator.

図3の発電機10は、複数の電気コイル90を冷却する空気冷却システム110をさらに備える。この例では、空気冷却システム110は、電気機械空気入口111と、円周方向支持体60の一部を通って延びる空気分配チャネルと、エアギャップ40と流体連通する電気機械空気出口112とを備える。電気機械空気入口は、空気流が電気機械に入ることを可能にしてもよい。 The generator 10 of FIG. 3 further includes an air cooling system 110 for cooling a plurality of electric coils 90. In this example, the air cooling system 110 comprises an electromechanical air inlet 111, an air distribution channel extending through a portion of the circumferential support 60, and an electromechanical air outlet 112 for fluid communication with the air gap 40. .. The electromechanical air inlet may allow airflow to enter the electromechanical machine.

空気冷却システム110によって送達される冷却空気は、低温空気をエアギャップ40に提供することができる。これにより、この空気は、エアギャップに沿って配置された電磁要素、例えばステータに配置された電気コイル90と共にロータ20に配置された磁石21を冷却することができる。 The cooling air delivered by the air cooling system 110 can provide cold air to the air gap 40. Thereby, this air can cool the magnet 21 arranged in the rotor 20 together with the electromagnetic element arranged along the air gap, for example, the electric coil 90 arranged in the stator.

この例の空気分配チャネルは、電気機械空気入口111と流体連通し、円周方向支持体60の第1の側31に配置された空気エントランス71を備える。空気分配チャネルは、エアギャップ40に沿って電気機械空気入口111からの空気流を分配するために、エアギャップ40と流体連通する円周方向支持体60の第2の側32に配置された複数の軸方向空気開口部73をさらに備える。 The air distribution channel of this example comprises an air entrance 71 that communicates fluid with the electromechanical air inlet 111 and is located on the first side 31 of the circumferential support 60. A plurality of air distribution channels are arranged on the second side 32 of the circumferential support 60 for fluid communication with the air gap 40 in order to distribute the air flow from the electromechanical air inlet 111 along the air gap 40. The axial air opening 73 is further provided.

この特定の例の発電機10では、ロータ20は、ステータ30を取り囲む。ロータは、発電機軸受11を介して風力タービンの支持フレーム9に回転可能に装着される。ロータ20は、風力タービン(この図には示されていない)のロータハブに接続することができ、ロータハブを回転させる。ステータ30は、風力タービンの支持フレーム9に堅固に接続することができる。電気巻線90は、円周方向支持体の外部リムの外側に配置され、磁石又は磁石モジュール21は、外部ロータリム22の内側に配置されてもよい。 In the generator 10 of this particular example, the rotor 20 surrounds the stator 30. The rotor is rotatably mounted on the support frame 9 of the wind turbine via the generator bearing 11. The rotor 20 can be connected to the rotor hub of a wind turbine (not shown in this figure) to rotate the rotor hub. The stator 30 can be firmly connected to the support frame 9 of the wind turbine. The electrical winding 90 may be located outside the outer rim of the circumferential support and the magnet or magnet module 21 may be located inside the outer rotor rim 22.

この図の例では、発電機は、第1の側101に配置されたカバープレート12を備える。カバープレート12は、発電機を閉じることができ、風力タービンの支持フレーム9に固定して取り付けることができる。シール部材が、ロータリム22の第1の側101に近い部分とカバープレート12との間に配置されてもよい。 In the example of this figure, the generator comprises a cover plate 12 located on the first side 101. The cover plate 12 can close the generator and can be fixedly attached to the support frame 9 of the wind turbine. The sealing member may be arranged between the portion of the rotor rim 22 near the first side 101 and the cover plate 12.

他の例では、カバープレート12は、ロータ20の一部を形成してもよい。これらの例のいくつかでは、追加の発電機軸受が、カバープレートを風力タービンの支持フレームと回転可能に接続することができる。他の例では、ロータ20はステータの半径方向内側にあってもよく、すなわちステータ30はロータ20を半径方向に囲んでもよい。ロータ20は、風力タービンロータに(例えば、ロータシャフト又はロータハブに)直接結合されてもよく、又はギアボックスが風力タービンロータと発電機との間に配置されてもよい。 In another example, the cover plate 12 may form part of the rotor 20. In some of these examples, additional generator bearings can rotatably connect the cover plate to the support frame of the wind turbine. In another example, the rotor 20 may be inside the stator in the radial direction, i.e., the stator 30 may surround the rotor 20 in the radial direction. The rotor 20 may be coupled directly to the wind turbine rotor (eg, to the rotor shaft or rotor hub), or a gearbox may be located between the wind turbine rotor and the generator.

低温空気流は、電気機械空気入口111を通って発電機10に入ることができる。この低温空気流は、ステータ構造50及び複数の軸方向空気開口部73を通って、発電機10のエアギャップ40に向かって導くことができる。したがって、空気流は、エアギャップ40の円周に沿って実質的に均一に分配することができる。したがって、この低温空気流は、エアギャップ40に配置されたロータ及びステータの電磁構成要素を冷却することができる。空気流は、エアギャップに配置された電磁構成要素を冷却するために、第2の側102から第1の側101までエアギャップを軸方向に通過することができる。電磁構成要素からの熱は空気流に伝達され、第1の側101における空気流の温度は第2の側102の空気流よりも高くてもよい。次いで、この高温空気流は、電気機械空気出口112を通って発電機から出て、熱交換器内で冷却されてもよい。電気機械空気出口は、空気流が電気機械から出ることを可能にしてもよい。 The cold air flow can enter the generator 10 through the electromechanical air inlet 111. This low temperature air flow can be guided toward the air gap 40 of the generator 10 through the stator structure 50 and the plurality of axial air openings 73. Therefore, the air flow can be distributed substantially uniformly along the circumference of the air gap 40. Therefore, this cold air flow can cool the electromagnetic components of the rotor and stator arranged in the air gap 40. The air flow can axially pass through the air gap from the second side 102 to the first side 101 to cool the electromagnetic components located in the air gap. The heat from the electromagnetic component is transferred to the air flow, and the temperature of the air flow on the first side 101 may be higher than the air flow on the second side 102. This hot air stream may then exit the generator through the electromechanical air outlet 112 and be cooled in the heat exchanger. The electromechanical air outlet may also allow an air flow to exit the electromechanical machine.

したがって、エアギャップに配置された電磁構成要素、例えば磁石は、所定の適切な範囲内の温度で動作することができ、したがって電気機械は効率的に動作することができる。 Thus, the electromagnetic components located in the air gap, such as magnets, can operate at temperatures within a predetermined suitable range, and thus the electromechanical machine can operate efficiently.

この図による空気冷却システムは、円周方向支持体60の第2の側32とロータ20の第2の側102との間に半径方向に延びる第2の側の半径方向空気チャネル114を備える。第2の側の半径方向空気チャネル114は、複数の軸方向空気開口部73をエアギャップ40と連通させることができる。 The air cooling system according to this figure comprises a second side radial air channel 114 extending radially between the second side 32 of the circumferential support 60 and the second side 102 of the rotor 20. The radial air channel 114 on the second side allows the plurality of axial air openings 73 to communicate with the air gap 40.

空気冷却システムは、円周方向支持体60の第1の側31とロータ20の第1の側101との間に半径方向に延びる第1の側の半径方向空気チャネル113を備えてもよい。第1の側の半径方向空気チャネル113は、エアギャップ40を電気機械空気出口112と連通させることができる。 The air cooling system may include a first side radial air channel 113 extending radially between the first side 31 of the circumferential support 60 and the first side 101 of the rotor 20. The radial air channel 113 on the first side allows the air gap 40 to communicate with the electromechanical air outlet 112.

いくつかの例では、冷却システムは、熱交換器を備えてもよい。熱交換器は、第1の流体回路と、第2の流体回路とを備えることができる。第1の流体回路は、電気機械を冷却するために冷却システムに接続されてもよい。第2の流体回路は、第1の流体回路に沿って流れる流体を冷却することができる。第2の流体回路の流体は、例えば空気又は水とすることができる。第1の流体回路は、エアギャップから暖かい空気流を受け取るために電気機械空気出口に接続された熱交換器空気入口を備えることができる。さらに、第1の流体回路は、空気流をエアギャップに送達するために電気機械空気入口に接続された熱交換器空気出口を備えてもよい。電気機械空気出口と熱交換器空気入口との間に導管を配置して、空気流を熱交換器に向けて導くことができる。導管は、熱交換器空気出口を電気機械空気入口に接続することができる。 In some examples, the cooling system may include a heat exchanger. The heat exchanger can include a first fluid circuit and a second fluid circuit. The first fluid circuit may be connected to a cooling system to cool the electrical machine. The second fluid circuit can cool the fluid flowing along the first fluid circuit. The fluid in the second fluid circuit can be, for example, air or water. The first fluid circuit may include a heat exchanger air inlet connected to an electromechanical air outlet to receive warm airflow from the air gap. In addition, the first fluid circuit may include a heat exchanger air outlet connected to an electromechanical air inlet to deliver airflow to the air gap. A conduit can be placed between the electromechanical air outlet and the heat exchanger air inlet to direct the air flow towards the heat exchanger. The conduit can connect the heat exchanger air outlet to the electromechanical air inlet.

エアギャップからの空気流は、第2の流体回路によって冷却することができ、この冷却された空気流は、電気機械空気入口を通って電気機械に投入され、エアギャップに配置された電磁構成要素を冷却することができる。 The air flow from the air gap can be cooled by a second fluid circuit, and this cooled air flow is introduced into the electromechanical machine through the electromechanical air inlet and is an electromagnetic component placed in the air gap. Can be cooled.

前述のように、低温空気流はしたがって、エアギャップ40に配置されたロータ及びステータの電磁構成要素を冷却することができる。空気流は、エアギャップに配置された電磁構成要素を冷却するために、第2の側102から第1の側101までエアギャップを軸方向に通過することができる。電磁構成要素からの熱は空気流に伝達され、第1の側101における空気流の温度は第2の側102の空気流よりも高くてもよい。(冷却)空気流の温度は第1の側101でより高くてもよいため、電気機械のこの側での磁石の冷却は、より暖かい空気で行われる。したがって、冷却は、局所的に効果が低くなる場合がある。 As mentioned above, the cold airflow can therefore cool the electromagnetic components of the rotor and stator located in the air gap 40. The air flow can axially pass through the air gap from the second side 102 to the first side 101 to cool the electromagnetic components located in the air gap. The heat from the electromagnetic component is transferred to the air flow, and the temperature of the air flow on the first side 101 may be higher than the air flow on the second side 102. Cooling of the magnets on this side of the electromechanical machine is done with warmer air, as the temperature of the (cooling) airflow may be higher on the first side 101. Therefore, cooling may be locally less effective.

したがって、高温側の磁石21は、ロータの冷却器側の磁石よりも高い温度で動作する場合がある。 Therefore, the magnet 21 on the high temperature side may operate at a higher temperature than the magnet on the cooler side of the rotor.

図4Aは、永久磁石、具体的にはネオジム鉄ホウ素磁石の消磁曲線205を示す。消磁曲線205は、「通常」消磁曲線であるが、「固有」消磁曲線200が、同じ磁石について示されている。 FIG. 4A shows a degaussing curve 205 of a permanent magnet, specifically a neodymium iron boron magnet. The degaussing curve 205 is a "normal" degaussing curve, but the "unique" degaussing curve 200 is shown for the same magnet.

消磁曲線は、所与の温度に対する磁石の挙動を示し、特定の磁場の存在下でどのように消磁が起こり得るかを示す。通常消磁曲線205は、ニーポイント208を示す。磁場が曲線の線形区域207内にある限り、磁石の特性は元の強度に戻る。しかしながら、磁場がニーポイント208より上にある場合、磁場がないと、磁石はその元の強度、すなわち元の磁気残留性に戻ることはない。むしろ、線209は、磁石がより低い残留磁気にどのように戻るか、すなわち磁石が部分的に消磁されているかを示す。 The degaussing curve shows the behavior of the magnet for a given temperature and how degaussing can occur in the presence of a particular magnetic field. The degaussing curve 205 usually indicates a knee point 208. As long as the magnetic field is within the linear area 207 of the curve, the properties of the magnet will return to their original strength. However, if the magnetic field is above knee point 208, in the absence of the magnetic field, the magnet will not return to its original strength, i.e., its original magnetic persistence. Rather, the line 209 shows how the magnet returns to the lower residual magnetism, i.e., the magnet is partially degaussed.

部分的又は完全に消磁することができる高磁場は、例えば発電機の電気的故障によって引き起こされる場合がある。 A high magnetic field that can be partially or completely demagnetized can be caused, for example, by an electrical failure of the generator.

異なる温度に対して、所与の磁石に対して異なる消磁曲線が存在する。より高い温度では、より低い磁場でニーポイントに達する、すなわち消磁がより容易に起こる。 For different temperatures, there are different degaussing curves for a given magnet. At higher temperatures, the knee point is reached with a lower magnetic field, i.e. demagnetization occurs more easily.

図4Bは、同じ強度、すなわち同じ磁気残留性を有する2つのタイプの永久ネオジム磁石の消磁曲線205、207を概略的に示す。 FIG. 4B schematically shows the degaussing curves 205, 207 of two types of permanent neodymium magnets having the same intensity, ie, the same magnetic persistence.

しかしながら、磁石は、異なる温度定格、すなわち異なる固有保磁力を有する。曲線207(及び曲線202)は、より高い温度定格を有する永久磁石N48SHの消磁曲線であり、曲線205(及び曲線200)は、より低い温度定格を有する永久磁石N48Hの消磁曲線である。 However, magnets have different temperature ratings, i.e. different intrinsic coercive forces. Curve 207 (and curve 202) is the degaussing curve of the permanent magnet N48SH with a higher temperature rating, and curve 205 (and curve 200) is the degaussing curve of the permanent magnet N48H with a lower temperature rating.

消磁曲線205、207は、80℃の温度に対する消磁を示す。永久磁石N48SHの不可逆的消磁は、より高い磁場で起こることが示されている。 Degaussing curves 205 and 207 indicate degaussing for a temperature of 80 ° C. Irreversible degaussing of the permanent magnet N48SH has been shown to occur at higher magnetic fields.

本開示の態様(図3を参照)として、第1のタイプの永久磁石と第2のタイプの永久磁石とを備える電気機械10用のロータ20が提供される。第1及び第2のタイプの永久磁石は同じ磁気強度を有し、第1のタイプの永久磁石は第1の温度定格を有し、第2のタイプの永久磁石は第1の温度定格とは異なる第2の温度定格を有する。 As an aspect of the present disclosure (see FIG. 3), a rotor 20 for an electric machine 10 comprising a first type permanent magnet and a second type permanent magnet is provided. The first and second types of permanent magnets have the same magnetic strength, the first type of permanent magnets have the first temperature rating, and the second type of permanent magnets have the first temperature rating. It has a different second temperature rating.

図3の例では、電気機械は、(第1のタイプの)第1の組の永久磁石と、(第2のタイプの)第2の組の永久磁石とを備えることができる。すなわち、別の個々の磁石を使用することができる。他の例では、磁性材料は、付加製造を用いて提供されてもよい。そのような例では、磁石グレード(特に温度定格)の変動は、より連続的となる場合がある。 In the example of FIG. 3, the electromechanical machine can include a first set of permanent magnets (of the first type) and a second set of permanent magnets (of the second type). That is, different individual magnets can be used. In another example, the magnetic material may be provided using additive manufacturing. In such cases, fluctuations in magnet grade (especially temperature rating) may be more continuous.

永久磁石は、希土類材料から作製されてもよく、具体的にはネオジム鉄ホウ素磁石であってもよい。代替的な例では、永久磁石は、例えばセラミック材料、サマリウムコバルト、又はアルニコ(アルニコは、鉄に加えて主にアルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、及びコバルト(Co)からなる鉄合金の族である)から作製される。 The permanent magnet may be made of a rare earth material, and specifically, a neodymium iron-boron magnet may be used. In an alternative example, the permanent magnets are, for example, a family of iron alloys consisting of ceramic materials, samarium cobalt, or alnico (alnico is a family of iron alloys consisting primarily of aluminum (Al), nickel (Ni), and cobalt (Co) in addition to iron. Is made from).

例では、ロータ20は、半径方向ロータリムを有することができ、第1の端部102から第2の端部101まで軸方向に延び、第1の組の永久磁石はロータの第1の区域に配置され、第2の組の永久磁石はロータの第2の区域に配置され、第1の区域は第2の区域よりも第1の端部102に近い。 In the example, the rotor 20 can have a radial rotor rim, extending axially from the first end 102 to the second end 101, and the first set of permanent magnets is in the first area of the rotor. Arranged, the second set of permanent magnets is located in the second area of the rotor, the first area is closer to the first end 102 than the second area.

この例のロータは、第1の端部102が第2の端部101よりも冷却空気供給部73に近いように電気機械10に配置されるように構成されている。 The rotor of this example is configured such that the first end 102 is located in the electrical machine 10 so that it is closer to the cooling air supply 73 than the second end 101.

いくつかの例では、ロータは、第3の組の永久磁石をさらに備えてもよく、第3の組の永久磁石は、同じ磁気強度を有し、第1及び第2の温度定格とは異なる第3の温度定格を有する。これらの例では、3つの異なる温度区域を定義することができ、これらの区域のそれぞれについて、適切な永久磁石を選択することができる。さらなる例では、4つ、5つ、又はそれ以上の異なる組の永久磁石を設けることができる。 In some examples, the rotor may further include a third set of permanent magnets, the third set of permanent magnets having the same magnetic strength and different from the first and second temperature ratings. It has a third temperature rating. In these examples, three different temperature zones can be defined and the appropriate permanent magnets can be selected for each of these zones. In a further example, different sets of four, five or more permanent magnets can be provided.

磁性材料が3D印刷又は付加製造を用いて提供される例では、具体的な数の磁石タイプ(温度定格)を提供することができ、又は温度定格の連続的な変化を提供することができる。 In examples where the magnetic material is provided using 3D printing or additive manufacturing, a specific number of magnet types (temperature ratings) can be provided, or continuous changes in temperature ratings can be provided.

さらなる態様では、そのようなロータを備える電気機械10が提供される。電気機械10は発電機であってもよい。さらに別の態様では、タワー170と、タワー170に回転可能に取り付けられたナセル161と、複数のブレード120を含む風力タービンロータ115とを備える風力タービン160であり、風力タービンロータ115は発電機のロータに動作可能に接続され、ロータは本明細書に記載のロータである。 In a further aspect, an electrical machine 10 with such a rotor is provided. The electric machine 10 may be a generator. In yet another embodiment, the wind turbine 160 comprises a tower 170, a nacelle 161 rotatably attached to the tower 170, and a wind turbine rotor 115 including a plurality of blades 120, wherein the wind turbine rotor 115 is of a generator. Operately connected to the rotor, the rotor is the rotor described herein.

図5A及び図5Bは、電気機械のロータ用の永久磁石モジュールの2つの例を概略的に示す。図5Aは、基部225を有する永久磁石モジュール220の一例を示す。基部は、ロータリムに取り付けることができる。基部は、例えば基部225の両側の凹部の内側に嵌合するT字形アンカーを用いて取り付けることができる。複数の永久磁石230を基部225の上部に配置することができる。 5A and 5B schematically show two examples of permanent magnet modules for rotors of electrical machinery. FIG. 5A shows an example of a permanent magnet module 220 having a base 225. The base can be attached to the rotor rim. The base can be attached, for example, using T-shaped anchors that fit inside the recesses on both sides of the base 225. A plurality of permanent magnets 230 can be arranged on top of the base 225.

この例における永久磁石モジュール220は、ロータと同じ長さを有することができ、すなわち、永久磁石モジュールは、ロータの第1の(前側)側からロータの第2の(後側)側まで延びる。ロータ(及び永久磁石モジュール220)の第1の側232は低温側であってもよく、第2の側234は高温側であってもよい。動作中、低温側232の磁石の平均温度は、高温側の平均温度よりも低くてもよい。 The permanent magnet module 220 in this example can have the same length as the rotor, i.e., the permanent magnet module extends from the first (front) side of the rotor to the second (rear) side of the rotor. The first side 232 of the rotor (and the permanent magnet module 220) may be on the low temperature side and the second side 234 may be on the high temperature side. During operation, the average temperature of the magnets on the low temperature side 232 may be lower than the average temperature on the high temperature side.

より低い平均温度を有する第1の区域240が画定されてもよく、より高い平均温度を有する第2の区域242が画定されてもよい。第1の区域240の磁石230は、第2の区域242の磁石230と異なっていてもよい。 A first area 240 with a lower average temperature may be defined, or a second area 242 with a higher average temperature may be defined. The magnet 230 in the first area 240 may be different from the magnet 230 in the second area 242.

複数の永久磁石を備えるロータと、複数の電気コイルを備えるステータと、前記ロータと前記ステータとの間の半径方向エアギャップとを備える電気機械が提供される。複数の永久磁石は、第1の群の磁石と第2の群の磁石とを含み、第1の群の磁石は第1の固有保磁力を有し、第2の群の磁石は異なる第2の固有保磁力を有する。第1の群の磁石は第1の区域240に配置されてもよく、第2の群の磁石は第2の区域242に配置されてもよい。 Provided is an electromechanical machine having a rotor with a plurality of permanent magnets, a stator with a plurality of electric coils, and a radial air gap between the rotor and the stator. The plurality of permanent magnets includes a first group of magnets and a second group of magnets, the first group of magnets has a first intrinsic coercive force, and the second group of magnets has a different second group. Has an inherent coercive force of. The first group of magnets may be located in the first zone 240 and the second group of magnets may be located in the second zone 242.

例では、第1及び第2の群の磁石は、同じ磁気残留性を有する。 In the example, the first and second groups of magnets have the same magnetic persistence.

いくつかの例では、電気機械は、冷却空気を半径方向エアギャップに供給するための冷却供給部をさらに備えることができ、第1の群の磁石は、第2の群の磁石よりも冷却供給部に近い。第1の固有保磁力は、第2の固有保磁力よりも低くてもよい。 In some examples, the electromechanical machine may further include a cooling supply for supplying cooling air to the radial air gap, where the magnets in the first group provide more cooling than the magnets in the second group. Close to the club. The first intrinsic coercive force may be lower than the second intrinsic coercive force.

いくつかの例では、ロータは、ロータリムと、ロータリムに取り付けられた複数の永久磁石モジュールとを備える。 In some examples, the rotor comprises a rotor rim and a plurality of permanent magnet modules attached to the rotor rim.

いくつかの例では、複数の永久磁石モジュールは、第1の群の永久磁石モジュールと第2の群の永久磁石モジュールとを含み、第1の群の永久磁石モジュールは第1の群の磁石を含み、第2の群の永久磁石モジュールは第2の群の磁石を含む。磁石モジュールは、必ずしもロータと同じ軸方向長さを有する必要はない。例では、2つの磁石モジュールは、軸方向に互いに前後に配置されてもよい。一方の磁石モジュールが第1の群の磁石を有し、他方の磁石モジュールが第2の群の磁石を有してもよい。 In some examples, the plurality of permanent magnet modules include a first group of permanent magnet modules and a second group of permanent magnet modules, and a first group of permanent magnet modules contains a first group of magnets. The second group of permanent magnet modules includes the second group of magnets. The magnet module does not necessarily have the same axial length as the rotor. In the example, the two magnet modules may be arranged axially back and forth with each other. One magnet module may have a first group of magnets and the other magnet module may have a second group of magnets.

図5Bは、永久磁石モジュール250の別の例を概略的に示す。永久磁石モジュール250は、軸方向断面において略V字状の磁石部分を有する。電気機械用の永久磁石モジュール250は、軸方向に沿って延びる。前述のように、温度分布は軸方向に不均一となる場合がある。低温側282及び高温側284が存在してもよい。 FIG. 5B schematically shows another example of the permanent magnet module 250. The permanent magnet module 250 has a substantially V-shaped magnet portion in an axial cross section. The permanent magnet module 250 for an electromechanical machine extends along the axial direction. As mentioned above, the temperature distribution may be non-uniform in the axial direction. The low temperature side 282 and the high temperature side 284 may be present.

モジュール250は、少なくとも1つの永久磁石を備える永久磁石アセンブリと、永久磁石アセンブリの少なくとも一部を支持する基部255とを備える。基部は、電気機械(図示せず)のロータ上に位置決めされるように適合された底部から半径方向に沿って(線A-Aに沿って)頂部まで延びる。永久磁石アセンブリは、半径方向に沿って(線A-Aに沿って)外側に傾斜して配置された第1の傾斜永久磁石部分261(V字形の「第1の脚部」)及び第2の傾斜永久磁石部分262(V字形の「第2の脚部」)と、接線方向に対して平行に(線B-Bに沿って)配置された接線方向永久磁石部分263とを備え、接線方向は半径方向に実質的に垂直である。 Module 250 comprises a permanent magnet assembly comprising at least one permanent magnet and a base 255 supporting at least a portion of the permanent magnet assembly. The base extends radially (along lines AA) from the bottom adapted to be positioned on the rotor of the electromechanical machine (not shown) to the top. The permanent magnet assembly has a first tilted permanent magnet portion 261 (V-shaped "first leg") and a second tilted outwardly along the radial direction (along line AA). A tangential permanent magnet portion 262 (V-shaped "second leg") and a tangential permanent magnet portion 263 arranged parallel to the tangential direction (along the line BB). The direction is substantially perpendicular to the radial direction.

図5Bの例では、永久磁石アセンブリは、第1の永久磁石を備える第1の傾斜永久磁石部分261と、第2の永久磁石を備える第2の傾斜永久磁石部分262と、第3の永久磁石を備える接線方向永久磁石部分263とを含む。さらに、永久磁石モジュールは、一列に軸方向に沿って配置されたいくつかの第1の永久磁石261、又は一列に軸方向に沿って配置された第2の永久磁石262、又は一列に軸方向に沿った第3の永久磁石263を備えてもよい。具体的には、これらの磁石の軸方向長さは、同様であってもよい。 In the example of FIG. 5B, the permanent magnet assembly has a first tilted permanent magnet portion 261 with a first permanent magnet, a second tilted permanent magnet portion 262 with a second permanent magnet, and a third permanent magnet. Includes a tangential permanent magnet portion 263 and the like. In addition, the permanent magnet modules include several first permanent magnets 261 arranged axially in a row, or second permanent magnets 262 arranged axially in a row, or axially in a row. A third permanent magnet 263 may be provided along the line. Specifically, the axial lengths of these magnets may be similar.

いくつかの永久磁石モジュールは、電気機械の軸方向長さを覆うように互いに軸方向に並んで配置されてもよい。 Some permanent magnet modules may be arranged axially side by side with each other so as to cover the axial length of the electromechanical machine.

図5Bの例では、永久磁石モジュール250は、永久磁石を少なくとも部分的に支持し、電気機械のロータ上に位置決めされるように適合された底部から半径方向に沿って頂部まで延びる基部をさらに備え、第1の永久磁石261及び第2の永久磁石262は、半径方向に沿って外側に傾斜して配置され、第3の永久磁石263は、接線方向に実質的に平行に配置され、接線方向は、半径方向に実質的に垂直である。 In the example of FIG. 5B, the permanent magnet module 250 further comprises a base that supports the permanent magnet at least partially and extends radially from the bottom to the top adapted to be positioned on the rotor of the electromechanical machine. , The first permanent magnet 261 and the second permanent magnet 262 are arranged so as to be inclined outward along the radial direction, and the third permanent magnet 263 is arranged substantially parallel to the tangential direction. Is substantially perpendicular to the radial direction.

第1及び第2の永久磁石は、軸方向断面において実質的に長方形であってもよい。代替的又は追加的に、第1の永久磁石261及び第2の永久磁石262は、実質的に台形の断面を有してもよい。このようにして、基部への磁石の固定が改善され、したがって、そのような磁石の偶発的な外れのリスクを低減することができる。 The first and second permanent magnets may be substantially rectangular in axial cross section. Alternatively or additionally, the first permanent magnet 261 and the second permanent magnet 262 may have a substantially trapezoidal cross section. In this way, the fixation of the magnet to the base is improved and therefore the risk of accidental detachment of such magnets can be reduced.

追加的に、第3の永久磁石263は、長方形の断面を有してもよい。他の例では、第3の永久磁石263は、傾いた縁部を有する長方形の断面を有してもよい。 Additionally, the third permanent magnet 263 may have a rectangular cross section. In another example, the third permanent magnet 263 may have a rectangular cross section with tilted edges.

図5Bの例は、上部磁極片273と、第1の側方ウイング270と、第2の側方ウイング272とを備える基部255を示す。永久磁石アセンブリは、上部磁極片273と第1の側方ウイング270及び第2の側方ウイング272との間に配置されてもよい。この例では、上部磁極片273は、短辺に平行な長辺と、長辺を短辺に接続する第1の側辺及び第2の側辺とを備える実質的に台形の軸方向断面を有する。この例では、第3の永久磁石263は上部磁極片の短辺に取り付けられ、第1の永久磁石261は上部磁極片の第1の側辺に取り付けられ、第2の永久磁石部分262は上部磁極片の第2の側辺に取り付けられている。 The example of FIG. 5B shows a base 255 comprising an upper pole piece 273, a first lateral wing 270, and a second lateral wing 272. The permanent magnet assembly may be placed between the upper magnetic pole piece 273 and the first lateral wing 270 and the second lateral wing 272. In this example, the upper magnetic pole piece 273 has a substantially trapezoidal axial cross section with a long side parallel to the short side and a first side and a second side connecting the long side to the short side. Have. In this example, the third permanent magnet 263 is attached to the short side of the upper magnetic pole piece, the first permanent magnet 261 is attached to the first side side of the upper magnetic pole piece, and the second permanent magnet portion 262 is the upper part. It is attached to the second side of the magnetic pole piece.

この例では、第1の側方ウイング261及び第2の側方ウイング262は、実質的に直角三角形の断面を有する。 In this example, the first lateral wing 261 and the second lateral wing 262 have a substantially right triangle cross section.

図5Aの例のように、基部は、軸方向に沿って延びる側方凹部をさらに備えることができる。適切に成形されたアンカーが、そのような側方凹部の形状と係合することができ、次いで、永久磁石モジュールをロータリムに固定するために使用することができる。 As in the example of FIG. 5A, the base may further include lateral recesses extending along the axial direction. A well-formed anchor can engage the shape of such lateral recesses and can then be used to secure the permanent magnet module to the rotor rim.

いくつかの例では、基部は、電気機械の効率を低下させる磁石の過熱を回避するために、磁石を冷却するための冷却チャネル279を含むことができる。 In some examples, the base may include a cooling channel 279 for cooling the magnet in order to avoid overheating of the magnet, which reduces the efficiency of the electromechanical machine.

低温側282及び高温側284が存在してもよい。磁石261、262、263は、軸方向に沿って変化してもよい。永久磁石モジュールのより低温の区域290は、より低い「グレード」の磁石を有することができ、より高温の区域292は、より高い「グレード」の磁石を有することができる。具体的には、磁石の強度は同じであってもよいが、温度定格は、より高温の区域292内の磁石に対してより高くてもよい。 The low temperature side 282 and the high temperature side 284 may be present. The magnets 261, 262, and 263 may change along the axial direction. The cooler area 290 of the permanent magnet module can have a lower "grade" magnet and the hotter area 292 can have a higher "grade" magnet. Specifically, the strength of the magnets may be the same, but the temperature rating may be higher for the magnets in the hotter area 292.

いくつかの例では、1つ又は複数の永久磁石モジュールは、第1のタイプの磁石と、第2のタイプの磁石とを備える。永久磁石モジュール内の磁石タイプは、前述の説明のように、軸方向に変更することができる。 In some examples, one or more permanent magnet modules include a first type of magnet and a second type of magnet. The magnet type in the permanent magnet module can be changed in the axial direction as described above.

特に図5Bの例を参照すると、永久磁石モジュールは、半径方向に対して傾斜して配置された1つ又は複数の傾斜磁石261、262と、半径方向に垂直に配置された1つ又は複数の接線方向磁石263とを含み、傾斜磁石261、262は第1のタイプの磁石とすることができ、接線方向磁石263は第2のタイプの磁石とすることができる。 In particular, referring to the example of FIG. 5B, the permanent magnet module includes one or more tilting magnets 261 and 262 tilted in the radial direction and one or more tilted magnets arranged perpendicular to the radial direction. Including the tangential magnet 263, the tilting magnets 261 and 262 can be the first type magnet, and the tangential magnet 263 can be the second type magnet.

この例では、傾斜磁石は、水平磁石よりも低い温度定格を有することができる。動作中、軸方向平面内の様々な磁石の温度は、実際には非常に均一、すなわち、同じ軸方向平面内の磁石内の温度にほとんど差がない場合がある。しかし、図5Bに示す配置では、傾斜磁石よりも接線方向磁石263の方が磁場が強くなる場合がある。例えば、電気的故障の場合に消磁することができる磁場は、傾斜磁石261、262よりも接線方向磁石263をより容易に消磁することができる。このため、接線方向磁石263の温度定格又は固有保磁力は、傾斜磁石よりも高くなるように選択することができる。 In this example, the tilt magnet can have a lower temperature rating than the horizontal magnet. During operation, the temperatures of the various magnets in the axial plane may actually be very uniform, i.e., there may be little difference in temperature within the magnets in the same axial plane. However, in the arrangement shown in FIG. 5B, the magnetic field of the tangential magnet 263 may be stronger than that of the tilt magnet. For example, a magnetic field that can be degaussed in the event of an electrical failure can more easily degauss the tangential magnet 263 than the tilting magnets 261 and 262. Therefore, the temperature rating or intrinsic coercive force of the tangential magnet 263 can be selected to be higher than that of the tilting magnet.

第1のタイプの磁石は、N48Hなどのより低い温度定格を有してもよく、これらの例における第2のタイプの磁石は、例えばN48SHであってもよい。 The first type magnet may have a lower temperature rating such as N48H, and the second type magnet in these examples may be, for example, N48SH.

軸方向に沿った磁石タイプの変動と永久磁石モジュール内の差別化の両方を組み合わせることもできる。 It is also possible to combine both axial magnet type variation and differentiation within the permanent magnet module.

図6は、電気機械の永久磁石ロータ用の磁石を選択するための方法300の一例を概略的に示す。方法は、永久磁石の磁気残留性を決定するステップ310を含む。発電機の公称電力、磁石の数及びサイズなどに応じて、永久磁石の適切な強度を決定することができる。永久磁石ロータのすべての磁石は、同じ強度を有することができる。 FIG. 6 schematically shows an example of a method 300 for selecting a magnet for a permanent magnet rotor of an electric machine. The method comprises step 310 of determining the magnetic persistence of a permanent magnet. Depending on the nominal power of the generator, the number and size of magnets, etc., the appropriate strength of the permanent magnets can be determined. All magnets in a permanent magnet rotor can have the same strength.

方法は、動作中の永久磁石ロータの温度分布を決定するステップ330をさらに含む。温度分布を決定するステップは、電気機械の動作をシミュレートするステップ320を含むことができる。 The method further comprises step 330 to determine the temperature distribution of the permanent magnet rotor in operation. The step of determining the temperature distribution can include step 320 of simulating the operation of an electromechanical machine.

方法は、より低い平均温度を有する永久磁石ロータの第1の区域を決定し、より高い平均温度を有する永久磁石ロータの第2の区域を決定するステップ340をさらに含む。温度分布に基づいて、永久磁石ロータの2つ以上の区域を画定することができる。いくつかの例では、第1の区域は、第2の区域よりも10~40℃高い平均温度を有する。 The method further comprises a step 340 of determining a first area of the permanent magnet rotor with a lower average temperature and determining a second area of the permanent magnet rotor with a higher average temperature. Two or more areas of the permanent magnet rotor can be defined based on the temperature distribution. In some examples, the first area has an average temperature 10-40 ° C higher than the second area.

この例の方法は、第1の区域用の第1のタイプの磁石を選択し、第2の区域用の第2のタイプの磁石を選択するステップをさらに含み、第2のタイプは第1のタイプとは異なる。 The method of this example further comprises selecting a first type magnet for the first area and selecting a second type magnet for the second area, the second type being the first type. Different from type.

いくつかの例では、第1の区域は動作中の平均温度が低いため、第1のタイプの磁石は、第2のタイプの磁石よりも低い温度定格を有してもよい。これは、例えば、第1の区域が冷却空気供給部の近くに配置されている場合に起こる場合がある。 In some examples, the first type magnet may have a lower temperature rating than the second type magnet because the first area has a lower average temperature during operation. This may occur, for example, if the first area is located near the cooling air supply section.

いくつかの例では、第1のタイプ又は第2のタイプの磁石のみが選択される。すなわち、2つの温度区域のみが規定される。多くの実施態様では、コストを最適化し、消磁を回避するには2つの温度区域で十分であることが分かっている。 In some examples, only the first type or the second type of magnets are selected. That is, only two temperature zones are defined. In many embodiments, it has been found that two temperature ranges are sufficient to optimize costs and avoid degaussing.

本明細書は、実施例を用いて、好ましい実施形態を含む本発明を開示し、また、当業者が、任意の装置又はシステムを作製し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、本発明を実践することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。当業者であれば、上述の種々の実施形態からの態様並びに各々のそのような態様についての他の公知の均等物を混ぜ合わせて適合させることで、本出願の原理に従ったさらなる実施形態及び技術を構築することができる。図面に関連する参照符号が特許請求の範囲の括弧内に配置されている場合、それらの参照符号は単に特許請求の範囲の明瞭性を高めるためのものであり、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。 The present specification discloses the present invention including preferred embodiments using examples, and one of ordinary skill in the art can make and use any device or system to carry out any incorporated method. Including, it makes it possible to practice the present invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims and may include other embodiments conceived by those skilled in the art. Such other embodiments are patented if they have structural elements that are not significantly different from the wording of the claims, or if they contain equivalent structural elements that are not substantially different from the wording of the claims. It is intended to be within the scope of the claim. Further embodiments according to the principles of the present application and those skilled in the art can be adapted by mixing and adapting embodiments from the various embodiments described above as well as other known equivalents for each such embodiment. Technology can be built. If the reference codes associated with the drawings are placed within the brackets of the claims, those reference codes are merely to enhance the clarity of the claims and limit the scope of the claims. Should not be interpreted as.

9 支持フレーム
10 電気機械、発電機
11 発電機軸受
12 カバープレート
20 ロータ、ヨーシステム
21 磁石、磁石モジュール、環状ギア
22 ロータリム、ヨー駆動装置
25 ピニオン
30 ステータ
31 第1の側
32 第2の側
33 回転軸
40 エアギャップ
50 ステータ構造
60 円周方向支持体
71 空気エントランス
73 冷却空気供給部、軸方向空気開口部
90 電気コイル、電気巻線
100 ピッチ軸受
101 第1の側、第2の端部
102 第2の側、第1の端部
107 ピッチシステム
108 ピニオン
109 環状ギア
110 ハブ、空気冷却システム
111 電気機械空気入口
112 電気機械空気出口
113 第1の側の半径方向空気チャネル
114 第2の側の半径方向空気チャネル
115 ロータ
120 ロータブレード
160 風力タービン
161 ナセル
162 発電機
163 ロータシャフト、主ロータシャフト
164 ギアボックス
165 支持フレーム、ベッドプレート
170 タワー
200 消磁曲線
202 消磁曲線
205 消磁曲線
207 消磁曲線、線形区域
208 ニーポイント
220 永久磁石モジュール
225 基部
230 磁石
232 第1の側、低温側
240 第1の区域
242 第2の区域
250 永久磁石モジュール
255 基部
261 傾斜磁石、傾斜永久磁石部分、第1の永久磁石、第1の側方ウイング
262 傾斜磁石、傾斜永久磁石部分、第2の永久磁石、第2の永久磁石部分、第2の側方ウイング
263 接線方向磁石、第3の永久磁石、接線方向永久磁石部分
270 第1の側方ウイング
272 第2の側方ウイング
273 上部磁極片
279 冷却チャネル
282 低温側
284 高温側
290 より低温の区域
292 より高温の区域
300 方法
PA ピッチ軸
YA ヨー軸
9 Support frame 10 Electric machine, Generator 11 Generator bearing 12 Cover plate 20 Rotor, Yaw system 21 Magnet, Magnet module, Circular gear 22 Rotor rim, Yaw drive 25 Pinion 30 Stator 31 First side 32 Second side 33 Rotating shaft 40 Air gap 50 Stator structure 60 Circumferential support 71 Air entrance 73 Cooling air supply section, axial air opening 90 Electric coil, electric winding 100 Pitch bearing 101 First side, second end 102 Second side, first end 107 Pitch system 108 Pinion 109 Circular gear 110 Hub, Air cooling system 111 Electromechanical air inlet 112 Electromechanical air outlet 113 First side radial air channel 114 Second side Radial Air Channel 115 Rotor 120 Rotor Blade 160 Wind Turbine 161 Nasser 162 Generator 163 Rotor Shaft, Main Rotor Shaft 164 Gearbox 165 Support Frame, Bed Plate 170 Tower 200 Demagnetizing Curve 202 Demagnetizing Curve 205 Demagnetizing Curve 207 Demagnetizing Curve, Linear Area 208 Knee Point 220 Permanent Magnet Module 225 Base 230 Magnet 232 First Side, Cold Side 240 First Area 242 Second Area 250 Permanent Magnet Module 255 Base 261 Permanent Magnet, Tilt Permanent Magnet Part, First Permanent Magnet, 1st side wing 262 tilting magnet, tilting permanent magnet part, 2nd permanent magnet, 2nd permanent magnet part, 2nd side wing 263 tangential direction magnet, 3rd permanent magnet, tangential direction permanent magnet part 270 First side wing 272 Second side wing 273 Upper pole piece 279 Cooling channel 282 Cold side 284 Hot side 290 Colder area 292 Hotter area 300 Method PA Pitch axis YA Yaw axis

Claims (15)

第1のタイプの永久磁石と、第2のタイプの永久磁石とを備える電気機械(10)用のロータ(20)であって、
前記第1タイプの永久磁石と前記第2タイプの永久磁石とは、同じ磁気強度を有し、
前記第1のタイプの永久磁石は第1の温度定格を有し、前記第2のタイプの永久磁石は前記第1の温度定格とは異なる第2の温度定格を有する、電気機械(10)用のロータ(20)。
A rotor (20) for an electric machine (10) comprising a first type permanent magnet and a second type permanent magnet.
The first type permanent magnet and the second type permanent magnet have the same magnetic strength.
The first type of permanent magnet has a first temperature rating, and the second type of permanent magnet has a second temperature rating different from the first temperature rating, for an electric machine (10). Rotor (20).
前記永久磁石は希土類材料から作製され、具体的には、前記永久磁石はネオジム鉄ホウ素磁石である、請求項1に記載のロータ(20)。 The rotor (20) according to claim 1, wherein the permanent magnet is made of a rare earth material, and specifically, the permanent magnet is a neodymium iron boron magnet. 前記ロータ(20)は、第1の端部(102)から第2の端部(101)まで軸方向に延び、
第1の組の永久磁石が前記ロータ(20)の第1の区域に配置され、
第2の組の永久磁石が前記ロータ(20)の第2の区域に配置され、
前記第1の区域は、前記第2の区域よりも前記第1の端部(102)に近い、請求項1又は請求項2に記載のロータ(20)。
The rotor (20) extends axially from the first end (102) to the second end (101).
A first set of permanent magnets is placed in the first area of the rotor (20).
A second set of permanent magnets is placed in the second area of the rotor (20).
The rotor (20) according to claim 1 or 2, wherein the first area is closer to the first end (102) than the second area.
前記第1の端部(102)が前記第2の端部(101)よりも冷却空気供給部(73)に近くなるように前記電気機械(10)に配置されるように構成される、請求項3に記載のロータ(20)。 Claimed to be configured to be arranged in the electrical machine (10) so that the first end (102) is closer to the cooling air supply (73) than the second end (101). Item 3. The rotor (20) according to Item 3. 第3の組の永久磁石をさらに備え、前記第3の組の永久磁石が、前記同じ磁気強度を有し、前記第1及び第2の温度定格とは異なる第3の温度定格を有する、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のロータ(20)。 A third set of permanent magnets is further provided, wherein the third set of permanent magnets has the same magnetic strength and a third temperature rating different from the first and second temperature ratings. The rotor (20) according to any one of items 1 to 4. ロータリム(22)と、前記ロータリム(22)に取り付けられた複数の永久磁石モジュール(220、250)とを備える、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のロータ(20)。 The rotor (20) according to any one of claims 1 to 5, comprising a rotor rim (22) and a plurality of permanent magnet modules (220, 250) attached to the rotor rim (22). 前記複数の永久磁石モジュール(220、250)は、第1の群の永久磁石モジュールと第2の群の永久磁石モジュールとを含み、
第1の群の永久磁石モジュールは、第1のタイプの磁石を備え、第2の群の永久磁石モジュールは、第2のタイプの磁石を備える、請求項6に記載のロータ(20)。
The plurality of permanent magnet modules (220, 250) include a first group of permanent magnet modules and a second group of permanent magnet modules.
The rotor (20) according to claim 6, wherein the permanent magnet module of the first group comprises a magnet of the first type, and the permanent magnet module of the second group comprises a magnet of the second type.
前記永久磁石モジュール(220、250)のうちの1つ又は複数は、前記第1のタイプの磁石と、前記第2のタイプの磁石又は磁石部分とを備える、請求項6に記載のロータ(20)。 20. The rotor (20) of claim 6, wherein one or more of the permanent magnet modules (220, 250) comprises the first type magnet and the second type magnet or magnet portion. ). 前記永久磁石モジュール(220、250)は、半径方向に対して傾斜して配置された1つ又は複数の傾斜磁石(261、262)と、前記半径方向に対して垂直に配置された1つ又は複数の接線方向磁石(263)とを含み、
前記傾斜磁石(261、262)は前記第1のタイプの磁石であり、前記接線方向磁石(263)は前記第2のタイプの磁石である、請求項8に記載のロータ(20)。
The permanent magnet module (220, 250) includes one or a plurality of tilting magnets (261, 262) arranged at an angle with respect to the radial direction, and one or a plurality of inclined magnets (261, 262) arranged at an angle with respect to the radial direction. Including multiple tangential magnets (263)
The rotor (20) according to claim 8, wherein the tilting magnets (261 and 262) are the first type magnets, and the tangential direction magnets (263) are the second type magnets.
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のロータ(20)を備える電気機械(10)であって、任意選択的に、前記電気機械(10)が発電機(162)である、電気機械(10)。 The electric machine (10) including the rotor (20) according to any one of claims 1 to 9, wherein the electric machine (10) is optionally a generator (162). Electrical machine (10). タワー(170)と、前記タワー(170)に回転可能に取り付けられたナセル(161)と、複数のブレード(120)を含む風力タービンロータ(115)と、請求項10に記載の発電機(162)とを備え、任意選択的に、前記発電機(162)が直接駆動型である、風力タービン(160)。 A tower (170), a nacelle (161) rotatably attached to the tower (170), a wind turbine rotor (115) including a plurality of blades (120), and a generator (162) according to claim 10. ), And optionally, the wind turbine (160) in which the generator (162) is a direct drive type. 電気機械(10)の永久磁石ロータの永久磁石の磁気残留性を決定するステップ(310)と、
動作中の永久磁石ロータの温度分布を決定するステップ(330)と、
より低い平均温度を有する前記永久磁石ロータの第1の区域を決定し、より高い平均温度を有する前記永久磁石ロータの第2の区域を決定するステップ(340)と、
前記第1の区域のために第1のタイプの磁石を選択し、前記第2の区域のために第2のタイプの磁石を選択するステップであって、前記第2のタイプは前記第1のタイプとは異なる、選択するステップ(350)と
を含む方法(300)。
The step (310) of determining the magnetic persistence of the permanent magnet of the permanent magnet rotor of the electric machine (10),
Step (330) to determine the temperature distribution of the permanent magnet rotor in operation,
A step (340) of determining a first area of the permanent magnet rotor having a lower average temperature and determining a second area of the permanent magnet rotor having a higher average temperature.
A step of selecting a first type of magnet for the first area and selecting a second type of magnet for the second area, wherein the second type is the first type. A method (300) that includes steps (350) and selections that are different from the type.
前記第1のタイプの磁石は、前記第2のタイプの磁石よりも低い温度定格を有する、請求項12に記載の方法(300)。 12. The method (300) of claim 12, wherein the first type magnet has a lower temperature rating than the second type magnet. 動作中の前記永久磁石ロータの前記温度分布を決定するステップが、前記電気機械(10)の動作をシミュレートするステップ(320)を含む、請求項12又は請求項13に記載の方法(300)。 12. The method (300) of claim 12, wherein the step of determining the temperature distribution of the permanent magnet rotor in operation comprises the step (320) of simulating the operation of the electromechanical machine (10). .. 前記第1のタイプの磁石及び第2のタイプの磁石は、付加製造によって提供される、請求項12から請求項14のいずれか一項に記載の方法(300)。 The method (300) according to any one of claims 12 to 14, wherein the first type magnet and the second type magnet are provided by additive manufacturing.
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